阅读说明：本技术 一种采用气动内柱的旋转爆震燃烧室 (Rotary detonation combustion chamber adopting pneumatic inner column ) 是由 范玮 焦中天 王可 赵明皓 于 2021-09-22 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种采用气动内柱的旋转爆震燃烧室,包括喷注头部和燃烧室身部。喷注头部包括分流器和喷注器外壳,分流器外壁与喷注器外壳围成环形氧化剂气流通道,燃料喷孔位于氧化剂气流通道的喉道下游,燃料和氧化剂混合后在燃烧室身部外侧进行旋转爆震燃烧；惰性气体或氧化剂沿分流器内壁围成的气流通道进入燃烧室身部,产生轴向流动的气动内柱,占据燃烧室身部中心区域,防止旋转爆震产物向中心流动,减小旋转爆震波向内侧向膨胀产生的损失。该燃烧室避免了部分旋转爆震产物短暂滞留于中心区域,降低新鲜混气参与缓燃燃烧的比例,有利于提高燃烧室热循环效率,同时无需对气动内柱进行冷却。本发明可以应用于旋转爆震推进技术领域。(The invention provides a rotary detonation combustor adopting a pneumatic inner column. The injection head comprises a splitter and an injector shell, an annular oxidant airflow channel is formed by the outer wall of the splitter and the injector shell in an enclosing mode, the fuel injection holes are located at the downstream of a throat of the oxidant airflow channel, and fuel and oxidant are mixed and then are subjected to rotary detonation combustion outside the body of the combustion chamber; inert gas or oxidant enter the body of the combustion chamber along the airflow channel enclosed by the inner wall of the flow divider to generate an axial flowing pneumatic inner column, and the axial flowing pneumatic inner column occupies the central area of the body of the combustion chamber, so that the rotation detonation product is prevented from flowing towards the center, and the loss generated by the inward lateral expansion of the rotation detonation wave is reduced. The combustion chamber avoids the phenomenon that partial rotation detonation products are temporarily retained in the central area, reduces the proportion of fresh mixed gas participating in slow combustion, is favorable for improving the thermal cycle efficiency of the combustion chamber, and simultaneously does not need to cool the pneumatic inner column. The invention can be applied to the technical field of rotary detonation propulsion.)

一种采用气动内柱的旋转爆震燃烧室

技术领域

本发明涉及旋转爆震推进技术领域，具体为一种采用气动内柱的旋转爆震燃烧室。

背景技术

旋转爆震发动机是一种基于旋转爆震燃烧的新型发动机，与基于缓燃燃烧的传统喷气式发动机相比，热循环效率更高，结构更简单。因此，近年来旋转爆震发动机在推进领域广受关注。

旋转爆震燃烧室通常采用有内柱的环形结构，由燃烧室外环和内柱形成环形通道。氧化剂和燃料自燃烧室头部沿轴向供给，旋转爆震波沿燃烧室周向旋转传播，不断消耗可燃混合物，产生已燃气体并沿轴向排出产生推力。环形通道中，爆震波双侧均受壁面限制，这有利于减少爆震波的侧向膨胀损失，但内柱会造成额外的热量和流阻损失，同时完全暴露在高温燃烧产物中，面临较为突出的冷却难题。

为解决上述问题，人们设计了无内柱的空筒形旋转爆震燃烧室，并成功实现了旋转爆震燃烧。与环形燃烧室相同，氧化剂和燃料仍然通过外侧布置的喷注器单元供入燃烧室，旋转爆震燃烧产物在燃烧室外侧产生后，由于无内柱限制，部分燃烧产物将进入燃烧室中心区域，短暂滞留于原内柱位置，这大幅增加了新鲜混气与高温燃气接触面积，导致参与缓燃燃烧的新鲜混气比例增加，不利于热循环效率的提高。

因此，针对上述燃烧室设计中存在的问题，设计一种冷却难度低、爆震波侧向膨胀损失小，同时参与爆震燃烧的新鲜混气比例高的旋转爆震燃烧室就显得尤为重要。本发明提出了一种采用气动内柱的旋转爆震燃烧室，可以解决上述问题，并能提高旋转爆震燃烧室空间利用率。

发明内容

本发明提供了一种采用气动内柱的旋转爆震燃烧室，采用气动内柱代替物理实体内柱，解决了内柱的冷却难题，同时避免了部分旋转爆震产物短暂滞留于中心区域，降低新鲜混气参与缓燃燃烧的比例，有利于提高燃烧室热循环效率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种采用气动内柱的旋转爆震燃烧室，包括喷注头部和燃烧室身部，所述喷注头部和燃烧室身部均为回转体，二者的中心轴线重合且外径均为D。

所述喷注头部包括分流器和喷注器外壳。其中，分流器内壁围成气动内柱气流通道，直径2/5～4/5D,保证气流方向为轴向；分流器外壁与喷注器外壳围成环形氧化剂气流通道，分流器外壁与喷注器外壳上均有一山丘状圆滑凸起，相互对置形成氧化剂气流通道的喉部，喉部环缝宽度为1/200D；分流器内部为燃料储箱，燃料喷孔入口与燃料储箱相连，出口位于氧化剂气流通道的喉道下游，沿分流器外壁面周向均匀布置，喷孔直径为1/500～1/400D，采用气态燃料时，喷孔间距弧长小于1/100D，采用液态燃料时，喷孔间距弧长小于1/200D，喷孔射流与燃烧室中心轴线所称锐角为30～80°。

所述燃烧室身部由燃烧室外环围成，内部可划分为旋转爆震环形通道和气动内柱。所述气动内柱由气动内柱气流通道流入燃烧室的气流形成，可为氩气和氮气等惰性气体，亦可为氧化剂。如采用后者，需保证即使有少量燃料进入气动内柱，气动内柱内当量比仍处于可燃贫油边界以下，使气动内柱不发生燃烧。所述旋转爆震环形通道为燃烧室外环和气动内柱之间的虚拟环形区域，在该区域内利用喷注头部供入的可燃混合物组织旋转爆震燃烧。

本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有以下有益效果：

一、本发明提供的一种采用气动内柱的旋转爆震燃烧室，采用高速气流在旋转爆震燃烧室中心产生气动内柱，防止外侧旋转爆震产物进入燃烧室中心区域，减小旋转爆震波向内侧向膨胀产生的损失，降低新鲜混气参与缓燃燃烧的比例，同时无需对气动内柱进行冷却。

二、本发明提供的一种采用气动内柱的旋转爆震燃烧室，燃料喷孔布置在氧化剂气流通道的喉部下游，此处的高速来流空气能够加速燃料的雾化和破碎过程；同时，周向均匀密集布置的喷孔能够改善燃料分布的周向均匀程度，提高燃料/氧化剂混合效率，有助于其充分燃烧。

附图说明

图1是本发明提供的一种采用气动内柱的旋转爆震燃烧室的结构简图；

图2是本发明应用于冲压式发动机时发动机整体机构简图(实施例)；

图3是图2中所示A-A方向的剖视图；

图4是图2中喷注器结构的局部放大图；

其中，1为分流器，包括分流器外壁凸起1-1、燃料储箱1-2、燃料喷孔1-3和肋板结构1-4；2为喷注器外壳，包括喷注器外壳凸起2-1；3为燃烧室外环；4为导流锥；5为拉瓦尔喷管；6为内涵支板；7为外涵支板。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施过程，对本发明作进一步说明：

参见图1，采用气动内柱的旋转爆震燃烧室通常由分流器1、喷注器外壳2和燃烧室外环3组成。工作时，氧化剂从分流器外壁面和喷注器外壳围成的氧化剂气流通道进入，流经分流器外壁凸起1-1和喷注器外壳凸起2-1组成的氧化剂气流通道喉部进入燃烧室；分流器1内部燃料储箱1-2内的燃料通过燃料喷孔1-3喷射进入高速氧化剂气流，并与氧化剂进行掺混，在燃烧室头部形成一定厚度的新鲜混气层。爆震波沿燃烧室周向旋转传播，不断消耗新鲜混气，产生高温高压燃气。高速的气动内柱进入燃烧室后会占据燃烧室中心区域，可避免外围的高温高压爆震产物进入中心区域。

以下给出具体实施例：

参考图2，当本发明中的采用气动内柱的旋转爆震燃烧室应用于冲压发动机时，喷注器外壳2在本实施例中优化为进气道壁面，分流器1将进气道分为外涵和内涵，进气道外涵由喷注器外壳2和分流器外壁面以及连接二者的6个外涵支板7构成，进气道内涵由分流器内壁和导流锥4以及连接二者的6个内涵支板6构成。燃烧室外环3内直径D₁，后接拉瓦尔喷管5。

参考图3，外涵支板7内部为燃料供给通路，将液态燃料周向均匀地供入燃料储箱1-2，燃料储箱内设计为铣槽式肋板结构1-4，构成燃料再生冷却通道。

参考图3，本实施例中燃料喷孔1-3直径为1/500D₁，周向间隔弧长1/250D₁，与中心轴线所成锐角均为80°。

工作时，液态燃料通过外涵支板7中的燃料供给通路进入燃料再生冷却通道，与进气道外涵和内涵的高温来流充分换热，再通过燃料喷孔1-3喷入燃烧室；外涵气流经过氧化剂环缝喉部进入燃烧室身部，促进燃料雾化破碎，并与燃料掺混构成旋转爆震燃烧所需可燃混气；由于旋转爆震波主要沿燃烧室外环内壁面附近周向传播，燃烧室中心压力相对较小，内涵气流能够以高速气柱的形式进入燃烧室，在燃烧室中心形成气动内柱，限制外侧爆震产物向内膨胀。内外涵气流在燃烧室后段不断进行掺混，并通过尾喷管加速排出产生推力。

以上结合附图和具体实施过程对本发明的具体实施方式作了详细描述，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的技术人员不脱离本发明原理的前提下，可以对上述方法做出各种改变与优化。